Impresión 3D: reformulación sostenible de alimentos

¿Conoces las impresoras 3D que “fabrican” alimentos? ¿Has probado alguna vez comida impresa en 3D? Aunque parezca increíble y sacado de una película de ciencia ficción, se trata ya de un hecho real y está más cerca de ti de lo que creías. En un futuro muy cercano, podrás ir a comer a un restaurante y utilizar unas gafas de realidad virtual para elegir tus platos favoritos, aconsejado por un asistente digital basado en tu historial de preferencias; las impresoras 3D crearán tu menú personalizado y los platos serán servidos por “camareros- robot». Además, se espera que estas impresoras 3D sustituyan al microondas en las cocinas en los próximos años. La sociedad actual no tiene tiempo de cocinar, y demanda gran cantidad de alimentos envasados y precocinados que frecuentemente tienen exceso de azúcar o de sal, así como numerosos conservantes y grasas; sin embargo, con estas nuevas impresoras es posible preparar platos más sanos de forma sencilla. Pero, ¿de qué estamos hablando concretamente? Para entender su funcionamiento y las ventajas que pueden ofrecernos frente a las herramientas de cocina tradicionales o los robots de cocina, es esencial aclarar primero en qué consiste la impresión 3D y conocer un poco de su historia.

Ejemplos de alimentos impresos en 3D│Fuente

La impresión 3D consiste en una serie de técnicas de “fabricación por adición”, en las que un objeto es reproducido de manera tridimensional a partir de un modelo digital mediante la superposición de capas de material que se acumulan hasta conseguir el tamaño, las características y la forma diseñadas. Estas máquinas solo usan la materia prima necesaria en forma de polvo, líquido o filamentos que posteriormente funden o solidifican para dar la forma final, y a diferencia de los métodos tradicionales de fabricación, no necesitan eliminar la materia prima sobrante. Este proceso es muy prometedor dado que suprime la necesidad de economías de escala, permite total libertad de diseño, y minimiza el tiempo, el coste, el consumo de energía y los requisitos de transporte. Así, las impresoras 3D fabrican objetos complejos siguiendo las instrucciones de un modelo digital mediante diseño asistido por ordenador (CAD). Con un programa CAD se diseña un modelo 3D real en el ordenador y se separa ese objeto en capas para ir imprimiendo una a una mediante un proceso aditivo. Además, se pueden imprimir partes del objeto hechas de distintos materiales con diferentes propiedades físicas mediante un simple proceso de ensamblaje.

Representación esquemática del objeto real (a), el modelo CAD (b) y la separación en capas para impresión 3D (c).

Los primeros equipos de fabricación por adición se remontan a los años 80. En 1981, Hideo Kodama, del Instituto Municipal de Investigaciones Industriales de Nagoya (Japón), desarrolló dos métodos de fabricación de un modelo de plástico tridimensional con un fotopolímero.​ Tres años más tarde, Chuck Hull, presidente de 3D Systems Corporation, desarrolló en Clifton (Colorado, USA) un prototipo basado en un proceso denominado estereolitografía, en el que se añaden capas mediante el curado de fotopolímeros con un láser de rayos ultravioleta. Éste se dirige hacia la parte del objeto que se quiere curar por medio de un juego de espejos, y es capaz de producir piezas de gran precisión. Hull definió el proceso como “un sistema para generar objetos tridimensionales mediante la creación de un patrón transversal del objeto a formar”. La principal aportación de Hull fue el formato de archivo STL (STereoLithography) muy utilizado por el software de impresión 3D, así como las estrategias digitales de corte y relleno comunes a muchos procesos actuales.

Hoy en día, la tecnología utilizada en la mayoría de las impresoras 3D es el “modelado por deposición fundida” (fused deposition modelling, FDM), también conocido como “fabricación por filamento fundido” (fused filament fabrication, FFF), que utiliza un filamento continuo de un material plástico. Al extruirlo a través de una boquilla se pueden dibujar las capas 3D que constituyen el objeto. Un proceso alternativo es la inyección aglutinante, más conocida por “Binder Jetting” o “Color Jet Printing”; se trata de una tecnología muy versátil que permite imprimir en gran variedad de colores gracias a la utilización de un aglutinante coloreado, que se pulveriza sobre un lecho de polvo y luego se solidifica en sección transversal. Esta tecnología trabaja de manera similar a las impresoras de papel tradicionales, pero utilizando resinas plásticas y una capa de polvo, en lugar de una hoja de papel. Tanto el FDM como la tecnología de inyección de aglutinante ya se utilizan para la impresión 3D de alimentos.

Esquema de una máquina de modelado por deposición fundida│Fuente

El desarrollo industrial de la inyección de aglutinante y la estereolitografía se iniciaron en 1993 en el Massachusetts Institute of Technology (MIT), que  desarrolló un procedimiento patentado con el nombre de 3D Printing (3DP), ahora también conocido como “impresión de chorro” o “impresión de chorro de color”.

No obstante, todavía hoy no se encuentra una definición clara de qué es una impresora 3D de alimentos: ¿Una simple máquina para cocinar? ¿Una herramienta que permite crear nuevas combinaciones de alimentos? ¿Un aparato que nos permitirá crear alimentos que no existen? A grandes rasgos, se podría describir como una máquina capaz de convertir recetas digitales en bocados comestibles y apetitosos. La mayoría de las impresoras de alimentos comerciales utilizan la variante FDM con un sistema de extrusión de pasta a través de una jeringa; el funcionamiento es similar a una impresora de tinta con una sola boquilla grande que vierte un material pastoso denso, el cual se va acumulando en capas hasta formar las estructuras de comida tridimensionales. Los alimentos se tienen que “sinterizar” o “cocinar” en un proceso posterior aparte, que puede tener lugar o no dentro de la propia impresora 3D.

Los pioneros en las síntesis 3D de alimentos fueron Hod Lipson y Evan Malone, de la Universidad de Cornell (Nueva York), que en 2007 adaptaron la impresora por extrusión Fab@Home para imprimir chocolate, queso, galletas, pasta de apio e incluso marisco (vieiras rebozadas). En 2010, el Dr. Liang Hao y colaboradores de la Universidad de Exeter (Reino Unido) desarrollaron un nuevo método de fabricación de chocolate por adición de capas denominado “ChocALM” que empleaba una extrusora a elevada temperatura. Sus estudios demostraron que tanto la velocidad de extrusión como la velocidad y la altura de la boquilla son factores clave que permiten modificar la estructura, aroma y sabor del producto final, de forma que la optimización de estos parámetros permite producir chocolates 3D de alta calidad adaptados a los consumidores, facilitando por tanto la “personalización alimentaria”.

Impresora 3D que usa chocolate en lugar de tinta│Fuente

El chocolate y los dulces son los alimentos más utilizados en las impresoras 3D. Así, estudiantes de la Universidad de Waterloo (Canadá) desarrollaron en 2013 un sistema de sinterización por láser para fundir chocolate en polvo impreso en 3D y formar figuras de gran complejidad geométrica, que no se pueden lograr con moldes.

Objetos 3D impresos con polvo de chocolate│Fuente

Basándose en la impresión de chocolate en 3D, Richard Horne desarrolló en 2012 una extrusora de pasta universal (UPE) accionada por engranajes con una correa de transmisión que ejercía presión sobre jeringas reutilizables. El mismo año, Ralf Holleis creó una máquina similar para extruir galletas navideñas basadas en diseños CAD sobre papel barnizado, que luego introducía en el horno para completar su fabricación. También se ha utilizado ampliamente la impresión 3D para la elaboración de pizza, producto preparado típicamente por superposición de capas: primero la masa, luego la salsa de tomate, a continuación la mozzarella y finalmente los diversos rellenos. Así, estudiantes de ingeniería mecánica del Imperial College (Londres) crearon en 2014 una impresora que permitía preparar pizza margarita en tan sólo 20 minutos utilizando tres jeringas distintas (una para la masa, otra para el tomate y la tercera para el queso).

Extrusoras de pasta utilizadas para la impresión 3D │Fuente

Algunas impresoras 3D se basan en la técnica culinaria denominado esferificación, patentada en 1946 en los Estados Unidos, y ampliamente utilizada en la cocina moderna, en particular por reputados chefs como Ferran Adriá. Así, mezclando zumo con alginato sódico y sumergiéndolo en un baño frío de cloruro cálcico se consiguen esferas por medio del «encapsulado» del líquido muy similares a las de hueva de pescado, que contienen el zumo de la fruta deseada dentro. Esta técnica permite crear frutas con diversas formas, tamaños, y sabores en unos pocos segundos.

Fruta comestible creada por impresión 3D│Fuente

Entre los objetivos primordiales de la impresión 3D figura el desarrollo de métodos de producción de comida sostenibles, para tratar de resolver algunos de los desafíos globales actuales como el cambio climático, la reducción de los recursos hídricos del planeta y el crecimiento demográfico exponencial. En particular, la cría intensiva de animales de granja es una de las principales causas del calentamiento global debido a sus emisiones incontroladas de metano, un gas de efecto invernadero mucho más potente que el dióxido de carbono. La Organización de las Naciones Unidas para la Alimentación y la Agricultura (FAO) prevé que la demanda mundial de carne aumentará en más de un 70% para el año 2050, y que los sistemas de producción actuales dejarán de ser sostenibles. Si no encontramos alternativas respetuosas con el medio ambiente, es factible que en un futuro cercano, la carne y otros alimentos de primera necesidad se conviertan en artículos de lujo debido al crecimiento de la demanda de cultivos dedicados a la producción de carne.

En esta línea, el profesor Mark Post de la Universidad de Maastricht (Holanda) demostró en 2012 que la carne cultivada en una placa Petri puede convertirse en una excelente alternativa a la carne de vacuno. Siguiendo esta iniciativa, algunas empresas están produciendo carne cruda artificial con ayuda de bioimpresoras 3D. Para ello, primero cosechan las células madre; cuando éstas son alimentadas, se reproducen periódicamente y forman cadenas, que una vez introducidas en un biocartucho permiten la impresión de un tejido vivo en 3D. Esta carne artificial presenta idénticas características biológicas que la producida por el animal de manera natural, aunque con una importante reducción de grasa, y tiene idéntica apariencia y textura, si bien su sabor es ligeramente distinto.

Hamburguesa producida a partir de células madre de vaca│Fuente

Próximamente, las impresoras 3D ensamblarán alimentos fácilmente digeribles, no solo conservando la forma y el sabor del modelo real, sino también enriqueciéndolos con proteínas, vitaminas o nutrientes específicos  y dándoles formas diversas y atractivas. Así, investigadores europeos del proyecto “Performance desarrollaron un prototipo de impresora para producir alimentos personalizados en términos de contenido calórico o tamaño para niños, personas mayores y delicadas de salud. Con el fin de mantener la comida sabrosa y atractiva a la vista, los investigadores aplicaron un agente de solidificación de origen vegetal estable al calor, de manera que el alimento puede ser remodelado. La impresora funciona de forma análoga a las de chorro de tinta, empleando diversas cápsulas rellenas de alimentos licuados (verduras, carnes y carbohidratos).

Recientemente, el investigador Giuseppe Scionti de la Universidad Politècnica de Catalunya ha desarrollado una carne alternativa basada en proteínas vegetales que se imprime en 3D, la cual presenta la textura fibrosa característica de los filetes tradicionales. El filete contiene un compendio de aminoácidos obtenidos de las proteínas de guisantes y arroz que logran reproducir las propiedades proteicas de un filete de carne de vacuno. Imprimir 100 gramos de carne vegetal cuesta aproximadamente dos euros, pero al escalar el proceso para su industrialización y comercialización su coste se reducirá.

Además de dar solución a necesidades nutricionales específicas, la impresión en 3D permite utilizar los insectos como fuente de proteínas. Así, los diseñadores del proyecto “Insects au Gratin pretenden disminuir el consumo de carne reemplazándola por insectos, que a pesar de ser habitualmente rechazados en la cultura occidental son más respetuosos con el medio ambiente porque generan menos metano y usan menos agua. El aspecto de los alimentos influye en la aceptación y la experiencia de sabor. Otras fuentes como frutos secos, algas, lentejas de agua, altramuces, remolacha, semillas, esporas, levaduras, etc. se están ya introduciendo como ingredientes alternativos.

Dinosaurios de espinaca hechos mediante impresión 3D│Fuente

Pero, ¿cuál es el futuro de la impresión de alimentos en 3D? A pesar de las diversas aplicaciones actuales y de su gran interés, esta tecnología de impresión en 3D no se han desarrollado completamente a nivel comercial dado que requiere un post-procesado: es necesario cocinar la comida después de la impresión. Además, no permite dosificar ingredientes pulverulentos y las texturas que obtienen no son comparables a las conseguidas con los métodos de cocina tradicionales. No obstante, cabe esperar los productos artificiales fabricados con esta técnica sean más baratos y más sanos que los derivados directamente de animales, y tengan ventajas adicionales derivadas de la posibilidad de hacer comidas a medida o “nutrición personalizada”. Los restaurantes podrán recabar información sobre los hábitos alimentarios y problemas nutricionales de los clientes y diseñar comidas que se ajusten a sus necesidades.

Se espera que en un futuro breve las impresoras 3D se conviertan en  procesadores de alimentos cotidianos. Para ello, se podrían combinar con la cocción con láser, método preciso y ajustable que usa el calor de láseres azules e infrarrojos para cocinar. En definitiva, la impresión 3D de alimentos contribuirá principalmente a que podamos comer mejor y con menos alimentos procesados. Se podrán diseñar productos alternativos sostenibles y nutritivos con perfiles novedosos de textura y sabor, y tanto la salud de los consumidores como el medio ambiente podrán beneficiarse de esta nueva tecnología que algunos ya han denominado la “Cuarta Revolución Industrial”.

 

Este artículo nos lo envía Ana María Diez Pascual. Se licenció en Química en el año 2001 en la Universidad Complutense de Madrid, donde realizó su tesis doctoral con una Beca de Formación de Profesorado Universitario. En 2005 trabajó en el “Max Planck Institute of Colloids and Interfaces” (Alemania) sobre la caracterización reológica de polímeros y tensioactivos. Fue investigadora postdoctoral (2006-2008) en el Instituto de Química Física de la Universidad de Aachen (Aquisgrán, Alemania), donde trabajó en el ensamblaje de polielectrólitos sobre microgeles termoresponsivos. En 2008 se trasladó al Instituto de Ciencia y Tecnología de Polímeros del Consejo Superior de Investigaciones Científicas (ICTP-CSIC) donde participó en un proyecto de colaboración con el “National Research Council of Canada” para desarrollar nanocompuestos poliméricos reforzados con nanotubos de carbono para aplicación en la industria del transporte. En 2014 se incorporó a la Universidad de Alcalá con un contrato de investigación “Ramón y Cajal” donde actualmente está trabajando en el desarrollo de sistemas polímero/tensioactivo con nanotubos de carbono y grafeno para evaluar su aplicabilidad como sensores ópticos o en dispositivos electrónicos. Ha participado en 24 proyectos de investigación, tanto nacionales como internacionales, y ha publicado más de 90 artículos en revistas internacionales de alto prestigio. Ha sido miembro del comité organizador de diversos congresos nacionales y es miembro del comité editorial de las revistas “Nanomaterials” y “Polymers”. En 2012 fue galardonada con el premio TR35 del Massachusetts Technological Institute (MIT) por su trabajo innovador en el campo de la nanotecnología.

Referencias científicas y más información:

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Por Colaborador Invitado
Publicado el ⌚ 8 abril, 2019
Categoría(s): ✓ Divulgación • Tecnología